مقدمة إلى عدادات البطارية

مقدمة إلى عدادات البطارية

1.1 مقدمة عن وظائف عداد الكهرباء

يمكن اعتبار إدارة البطارية جزءًا من إدارة الطاقة. في إدارة البطارية، يكون عداد الكهرباء مسؤولاً عن تقدير سعة البطارية. وتتمثل وظيفتها الأساسية في مراقبة الجهد الكهربي وتيار الشحن/التفريغ ودرجة حرارة البطارية وتقدير حالة الشحن (SOC) وسعة الشحن الكاملة (FCC) للبطارية. هناك طريقتان نموذجيتان لتقدير حالة شحن البطارية: طريقة جهد الدائرة المفتوحة (OCV) وطريقة القياس الكولومية. هناك طريقة أخرى وهي خوارزمية الجهد الديناميكي التي صممتها RICHTEK.

1.2 طريقة جهد الدائرة المفتوحة

تعد طريقة تنفيذ استخدام طريقة جهد الدائرة المفتوحة لعداد الكهرباء سهلة نسبيًا، ويمكن الحصول عليها عن طريق التحقق من حالة الشحن المقابلة لجهد الدائرة المفتوحة. الشرط المفترض لجهد الدائرة المفتوحة هو جهد طرف البطارية عندما تكون البطارية في وضع الراحة لمدة 30 دقيقة تقريبًا.

يختلف منحنى جهد البطارية اعتمادًا على حمل البطارية ودرجة حرارتها وعمرها. ولذلك، فإن الفولتميتر ذو الدائرة المفتوحة الثابتة لا يمكن أن يمثل حالة الشحن بشكل كامل؛ لا يمكن تقدير حالة الشحن من خلال البحث في الجداول فقط. بمعنى آخر، إذا تم تقدير حالة الشحن فقط من خلال البحث في جدول، فسيكون الخطأ كبيرًا.

يوضح الشكل التالي أنه تحت نفس جهد البطارية، يوجد اختلاف كبير في حالة الشحن التي يتم الحصول عليها من خلال طريقة جهد الدائرة المفتوحة.

        الشكل 5. جهد البطارية تحت ظروف الشحن والتفريغ

كما هو موضح في الشكل أدناه، هناك أيضًا اختلاف كبير في حالة الشحن تحت أحمال مختلفة أثناء التفريغ. لذا، فإن طريقة جهد الدائرة المفتوحة مناسبة فقط للأنظمة ذات متطلبات الدقة المنخفضة لحالة الشحن، مثل السيارات التي تستخدم بطاريات الرصاص الحمضية أو مصادر الطاقة غير المنقطعة.

            الشكل 2. جهد البطارية تحت أحمال مختلفة أثناء التفريغ

1.3 القياس الكولومبي

مبدأ التشغيل لمقاييس كولوم هو توصيل مقاوم الكشف على مسار الشحن/التفريغ للبطارية. يقوم ADC بقياس الجهد على مقاوم الكشف وتحويله إلى القيمة الحالية للبطارية التي يتم شحنها أو تفريغها. يوفر عداد الوقت الحقيقي (RTC) تكامل القيمة الحالية مع الوقت لتحديد عدد الكولوم المتدفق.

               الشكل 3. وضع العمل الأساسي لطريقة قياس كولوم

يمكن لعلم القياس الكولومبي أن يحسب بدقة حالة الشحن في الوقت الفعلي أثناء عملية الشحن أو التفريغ. باستخدام عداد كولوم للشحن وعداد كولوم للتفريغ، يمكن حساب السعة الكهربائية المتبقية (RM) وسعة الشحن الكاملة (FCC). وفي الوقت نفسه، يمكن أيضًا استخدام سعة الشحن المتبقية (RM) والقدرة المشحونة بالكامل (FCC) لحساب حالة الشحن، أي (SOC=RM/FCC). بالإضافة إلى ذلك، يمكنه أيضًا تقدير الوقت المتبقي، مثل استنفاد الطاقة (TTE) وإعادة شحن الطاقة (TTF).

                    الشكل 4. صيغة الحساب لمقاييس كولومب

هناك عاملان رئيسيان يتسببان في انحراف دقة قياسات كولومب. الأول هو تراكم أخطاء الإزاحة في الاستشعار الحالي وقياس ADC. على الرغم من أن خطأ القياس صغير نسبيًا مع التكنولوجيا الحالية، إلا أنه بدون طريقة جيدة للقضاء عليه، فإن هذا الخطأ سيزداد بمرور الوقت. ويوضح الشكل التالي أنه في التطبيقات العملية، إذا لم يكن هناك تصحيح في المدة الزمنية، فإن الخطأ المتراكم يكون غير محدود.

              الشكل 5. الخطأ المتراكم في طريقة قياس كولوم

للتخلص من الأخطاء التراكمية، هناك ثلاث نقاط زمنية محتملة يمكن استخدامها أثناء التشغيل العادي للبطارية: نهاية الشحن (EOC)، ونهاية التفريغ (EOD)، والراحة (الاسترخاء). عند استيفاء شرط نهاية الشحن، فهذا يشير إلى أن البطارية مشحونة بالكامل ويجب أن تكون حالة الشحن (SOC) 100%. تشير حالة نهاية التفريغ إلى أن البطارية قد تم تفريغها بالكامل وأن حالة الشحن (SOC) يجب أن تكون 0%؛ يمكن أن تكون قيمة الجهد المطلقة أو يمكن أن تختلف مع الحمل. عند الوصول إلى حالة الراحة، لا يتم شحن البطارية أو تفريغها، وتبقى في هذه الحالة لفترة طويلة من الزمن. إذا أراد المستخدم استخدام حالة سكون البطارية لتصحيح خطأ طريقة قياس الكولومتر، فيجب استخدام مقياس الفولتميتر ذو الدائرة المفتوحة في هذا الوقت. يوضح الشكل التالي أنه يمكن تصحيح خطأ حالة الشحن في الحالات المذكورة أعلاه.

            الشكل 6. شروط القضاء على الأخطاء المتراكمة في علم القياس الكولومبي

العامل الرئيسي الثاني الذي يسبب انحراف دقة قياس كولوم هو خطأ سعة الشحن الكاملة (FCC)، وهو الفرق بين السعة المصممة للبطارية وسعة الشحن الكاملة الحقيقية للبطارية. تتأثر سعة الشحن الكاملة (FCC) بعوامل مثل درجة الحرارة والعمر والحمل. لذلك، تعد طرق إعادة التعلم والتعويض للسعة المشحونة بالكامل أمرًا بالغ الأهمية بالنسبة للقياس الكولومبي. يوضح الشكل التالي ظاهرة اتجاه خطأ حالة الشحن عندما يتم المبالغة في تقدير السعة المشحونة بالكامل والتقليل من تقديرها.

             الشكل 7: اتجاه الخطأ عند المبالغة في تقدير السعة المشحونة بالكامل والتقليل من تقديرها

1.4 عداد الكهرباء خوارزمية الجهد الديناميكي

يمكن لخوارزمية الجهد الديناميكي حساب حالة شحن بطارية الليثيوم بناءً على جهد البطارية فقط. تقوم هذه الطريقة بتقدير زيادة أو نقصان حالة الشحن بناءً على الفرق بين جهد البطارية وجهد الدائرة المفتوحة للبطارية. يمكن لمعلومات الجهد الديناميكي محاكاة سلوك بطاريات الليثيوم بشكل فعال وتحديد حالة الشحن (SOC) (٪)، ولكن لا يمكن لهذه الطريقة تقدير قيمة سعة البطارية (mAh).

تعتمد طريقة الحساب الخاصة بها على الفرق الديناميكي بين جهد البطارية وجهد الدائرة المفتوحة، وتقدر حالة الشحن باستخدام خوارزميات تكرارية لحساب كل زيادة أو نقصان في حالة الشحن. بالمقارنة مع حل عدادات الكهرباء بطريقة كولومب، فإن عدادات الكهرباء ذات خوارزمية الجهد الديناميكي لا تتراكم الأخطاء بمرور الوقت والتيار. غالبًا ما تحتوي أجهزة القياس الكولومبية على تقدير غير دقيق لحالة الشحن بسبب أخطاء الاستشعار الحالية والتفريغ الذاتي للبطارية. حتى لو كان خطأ الاستشعار الحالي صغيرًا جدًا، فسيستمر عداد كولومب في تراكم الأخطاء، والتي لا يمكن التخلص منها إلا بعد الشحن الكامل أو التفريغ.

تُستخدم خوارزمية الجهد الديناميكي لتقدير حالة شحن البطارية بناءً على معلومات الجهد فقط؛ نظرًا لأنه لا يتم تقديره بناءً على المعلومات الحالية للبطارية، فلا يوجد تراكم للأخطاء. لتحسين دقة حالة الشحن، تحتاج خوارزمية الجهد الديناميكي إلى استخدام جهاز فعلي لضبط معلمات الخوارزمية المحسنة بناءً على منحنى جهد البطارية الفعلي في ظل ظروف الشحن الكامل والتفريغ الكامل.

     الشكل 8. أداء خوارزمية الجهد الديناميكي لعداد الكهرباء وتحسين الكسب

فيما يلي أداء خوارزمية الجهد الديناميكي في ظل ظروف معدل التفريغ المختلفة من حيث حالة الشحن. كما هو موضح في الشكل، دقة حالة الشحن جيدة. بغض النظر عن ظروف التفريغ الخاصة بـ C/2 وC/4 وC/7 وC/10، فإن الحالة الإجمالية لخطأ الشحن لهذه الطريقة أقل من 3%.

      الشكل 9. أداء حالة الشحن لخوارزمية الجهد الديناميكي في ظل ظروف معدل التفريغ المختلفة

يوضح الشكل التالي حالة شحن البطارية في ظل ظروف الشحن القصير والتفريغ القصير. لا يزال خطأ حالة الشحن صغيرًا جدًا، والحد الأقصى للخطأ هو 3% فقط.

       الشكل 10. أداء حالة شحن خوارزمية الجهد الديناميكي في حالة الشحن القصير والتفريغ القصير للبطاريات

بالمقارنة مع طريقة قياس كولوم، والتي عادة ما تؤدي إلى حالة شحن غير دقيقة بسبب أخطاء استشعار التيار والتفريغ الذاتي للبطارية، فإن خوارزمية الجهد الديناميكي لا تتراكم الأخطاء بمرور الوقت والتيار، وهي ميزة كبيرة. نظرًا لنقص المعلومات حول تيارات الشحن/التفريغ، فإن خوارزمية الجهد الديناميكي تتسم بدقة ضعيفة على المدى القصير ووقت استجابة بطيء. علاوة على ذلك، لا يمكنه تقدير سعة الشحن الكاملة. ومع ذلك، فهو يعمل بشكل جيد من حيث الدقة على المدى الطويل، حيث أن جهد البطارية يعكس في النهاية حالة الشحن بشكل مباشر.